專利名稱：一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，具體是一種在水和醇的混合溶液中制備石墨烯的技術(shù)。屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯以其在物理、化學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等各方面的獨(dú)特優(yōu)異性能，在新材料、新能源和電子元器件等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)石墨烯真正大規(guī)模應(yīng)用的最重要前提是，開(kāi)發(fā)出低成本、大批量、無(wú)污染的石墨烯制備技術(shù)。同樣，石墨烯的大批量低成本無(wú)污染制備技術(shù)也是關(guān)于該材料基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的核心問(wèn)題之一。首次制備出石墨烯的是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Novoselov和Geim,他們?cè)?004年采用微機(jī)械解理，即以膠帶黏貼技術(shù)從高定向熱解石墨(HOPG)中剝離出石墨烯片。微機(jī)械解理雖然可制備出橫向尺寸達(dá)幾十微米的高質(zhì)量石墨烯，但效率和產(chǎn)量極低，僅限于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究。目前石墨烯制備的主流方法屬于化學(xué)技術(shù)范疇，主要包括基底生長(zhǎng)、基底外延、化學(xué)氣相沉積和還原氧化石墨烯等方法，前三種方法在電子元器件應(yīng)用上展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但存在溫度壓強(qiáng)控制要求高、高質(zhì)量基片、石墨烯與基片分離難以控制等苛刻條件，很難以達(dá)到大量簡(jiǎn)易生產(chǎn)石墨烯的目的，尤其無(wú)法滿足石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求。 另外，基于液相工藝的氧化石墨烯還原方法，雖然是宏量制備石墨烯的有效途徑，但該方法工藝復(fù)雜，條件不易控制，制備成本較高，還原的氧化石墨烯與純石墨烯在性能上還是有所差別，且還原效率較低，所用化學(xué)試劑大多有毒，難以滿足低成本綠色應(yīng)用需要。而在液相中直接剝離普通晶體石墨制備石墨烯的方法，以其晶體石墨粉原料、相關(guān)溶劑及機(jī)械剝離設(shè)備價(jià)格低廉，溶劑可以綠色無(wú)污染的特點(diǎn)，展現(xiàn)出簡(jiǎn)易綠色、低成本、高效率、大批量制備石墨烯的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的在于提供一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，是一種簡(jiǎn)易綠色的低成本、高效率、大批量制備石墨烯的好工藝方法。2、技術(shù)方案本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，該方法具體步驟如下步驟一把預(yù)定比例的水和醇直接混合，即可獲得在液相中制備石墨烯所用的溶液；步驟二 將石墨粉分散于該溶液中，得到石墨分散液；步驟三采用超聲空化或射流空化進(jìn)行處理；步驟四把處理后的溶液進(jìn)行靜置處理，然后取上層的溶液；步驟五把上層溶液再作高速離心分離處理；
步驟六把高速離心分離處理后的上層清液收集出來(lái)，即得到穩(wěn)定的石墨烯分散液。其中，步驟一中所述的水和醇的混合溶液是指水和乙醇的混合溶液，乙醇最佳質(zhì)量比例為20% -60%，其余為水。其中，步驟一中所述的水和醇的混合溶液是指水和異丙醇的混合溶液，異丙醇最佳質(zhì)量比例為35% -75%，其余為水。其中，步驟二中所述的石墨粉為小于100微米的鱗片狀石墨。其中，步驟二中所述的石墨粉與乙醇/水混合溶液的質(zhì)量比為O. 001% -10%，石墨粉與異丙醇/水混合溶液的質(zhì)量比為0.001% -10%。其中，步驟三中所述的超聲空化處理是把步驟二中所述的石墨粉與水和乙醇的混合溶液或者水和異丙醇的混合溶液放到超聲空化的容器中，進(jìn)行超聲空化處理，處理I小時(shí)至10小時(shí)后，就可制備出含有石墨烯的穩(wěn)定分散液。其中，步驟三中所述的射流空化處理是把步驟二中所述的石墨粉與水和乙醇的混合溶液或者水和異丙醇的混合溶液放到射流空化的儲(chǔ)料罐中，進(jìn)行射流空化處理，處理10 分鐘至100分鐘后，就可制備出含有石墨烯的穩(wěn)定分散液。注射流空化處理工藝及方法見(jiàn)發(fā)明專利“一種射流空化技術(shù)制備石墨烯的裝置及方法”，申請(qǐng)?zhí)枮?01110190763. 3。其中，步驟四中所述的靜置處理的時(shí)間是3小時(shí)至50小時(shí)；其中，步驟五中所述的高速離心分離處理是離心機(jī)轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分至10000轉(zhuǎn) /分；離心處理時(shí)間是10分鐘至200分鐘。本發(fā)明的有益效果是(I)在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法特別簡(jiǎn)單，易于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)化實(shí)現(xiàn)。(2)在該溶液中所制備的石墨烯，分散穩(wěn)定性好，石墨烯濃度高，質(zhì)量好。(3)與文獻(xiàn)報(bào)道的沸點(diǎn)高、價(jià)格貴、有毒的有機(jī)溶劑相比，水和乙醇混合溶液、水和異丙醇混合溶液沸點(diǎn)低，無(wú)毒無(wú)污染，制造成本低，完全可以滿足工業(yè)生產(chǎn)中安全性和綠色環(huán)保的要求。(4)使用本發(fā)明方法生產(chǎn)的石墨烯，經(jīng)原子力顯微鏡統(tǒng)計(jì)分析表明，單層石墨烯占 6% 10%，三層及其以下石墨烯占36% 50%，十層以下石墨烯占79% 92%，石墨烯片的大小為幾百納米至幾微米。


圖I為本發(fā)明方法的流程框2為本發(fā)明方法所制備石墨烯分散液的自由沉降曲線(超聲空化處理)，縱坐標(biāo) CZC1為石墨烯分散液瞬時(shí)濃度與其初始濃度的比值，橫坐標(biāo)t為超聲空化處理時(shí)間；W-IPA 指水和異丙醇混合溶液(異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45% )，W-E指水和乙醇混合溶液(乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% )。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，該方法具體實(shí)施如下實(shí)施例1，以在水和乙醇混合溶液中超聲空化制備石墨烯為實(shí)施例，詳述工藝步驟如下步驟一配置水和乙醇的混合溶液20mL，乙醇質(zhì)量比例為40%，其余為水，；步驟二 將小于100微米的石墨粉4mg分散于其中，得到O. 2mg/mL的石墨分散液， 并將其裝入一個(gè)30mL容器瓶中；步驟三把上述裝有石墨分散液的容器瓶放置在盛有水的IOOOmL的超聲容器中， 超聲處理180min，超聲輸出功率20W、頻率40KHz ；步驟四把經(jīng)過(guò)超聲處理后的容器瓶(內(nèi)裝有石墨分散液)靜置8小時(shí)，然后把上層分散液取出來(lái)；步驟五把取出來(lái)的上層分散液裝入離心管中，然后作高速離心分離處理，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm(X 1008g)，離心處理30分鐘；步驟六離心分離處理后，收集上層清液，即得到水和乙醇混合溶液中的石墨烯穩(wěn)定分散液。石墨烯的沉降曲線如圖2所示。實(shí)施例2，以在水和異丙醇混合溶液中超聲空化制備石墨烯為實(shí)施例，詳述工藝步驟如下步驟一配置水和異丙醇的混合溶液20mL,異丙醇質(zhì)量比例為55%,其余為水，；步驟二 將小于100微米的石墨粉4mg分散于其中，得到O. 2mg/mL的石墨分散液, 并將其裝入一個(gè)30mL容器瓶中；步驟三把上述裝有石墨分散液的容器瓶放置在盛有水的IOOOmL的超聲容器中， 超聲處理180min，超聲波輸出功率20W、頻率40KHz ；步驟四把經(jīng)過(guò)超聲處理后的容器瓶(內(nèi)裝有石墨分散液)靜置8小時(shí)，然后把上層分散液取出來(lái)；步驟五把取出來(lái)的上層分散液裝入離心管中，然后作高速離心分離處理，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為 3000rpm (X 1008g)，離心處理 30min ；步驟六離心分離處理后，收集上層清液，即得到水和異丙醇混合溶液中的石墨烯穩(wěn)定分散液。石墨烯的沉降曲線如圖2所示。實(shí)施例3，以在水和乙醇混合溶液中射流空化制備石墨烯為實(shí)施例，詳述工藝步驟如下步驟一配置水和乙醇的混合溶液5000mL，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，其余為水；步驟二 將小于100微米的石墨粉IOOOmg分散于其中，得到O. 2mg/mL的石墨分散液，并將它裝入射流空化裝置的IOL的儲(chǔ)料罐中；步驟三設(shè)定射流空化裝置的柱塞泵的工作壓力為20MPa，柱塞泵電機(jī)功率為 30KW，系統(tǒng)運(yùn)行30min ；步驟四從儲(chǔ)料罐中取出溶液，倒入燒杯并靜置8小時(shí)，然后把上層分散液取出來(lái)；
步驟五把取出來(lái)的上層分散液裝入離心管中，然后作高速離心分離處理，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm(X1008g)，離心30分鐘；步驟六離心分離處理后，收集上層清液，即得到水和乙醇混合溶液中的石墨烯穩(wěn)定分散液。實(shí)施例4，以在水和異丙醇混合溶液中射流空化制備石墨烯為實(shí)施例，詳述工藝步驟如下步驟一配置水和異丙醇的混合溶液5000mL,異丙醇質(zhì)量比例為55%,其余為水；步驟二 將小于100微米的石墨粉IOOOmg分散于其中，得到O. 2mg/mL的石墨分散液，并將它裝入射流空化裝置的IOL的儲(chǔ)料罐中；步驟三設(shè)定射流空化裝置的柱塞泵的工作壓力為20MPa，柱塞泵電機(jī)功率為 30KW，系統(tǒng)運(yùn)行30min ；步驟四從儲(chǔ)料罐中取出溶液，倒入燒杯并靜置8小時(shí)，然后把上層分散液取出來(lái)；步驟五把取出來(lái)的上層分散液裝入離心管中，然后作高速離心分離處理，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為 IOOOrpm (X 112g)或 3000rpm (X 1008g)，離心 30 分鐘；步驟六離心分離處理后，收集上層清液，即得到水和異丙醇混合溶液中的石墨烯穩(wěn)定分散液。顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施案例僅僅是為了清楚說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
權(quán)利要求
1.一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一把預(yù)定比例的水和醇直接混合，獲得在液相中制備石墨烯所用的溶液；步驟二 將石墨粉分散于該溶液中，得到石墨分散液；步驟三采用超聲空化或射流空化進(jìn)行處理；步驟四把處理后的溶液進(jìn)行靜置處理，然后取上層的溶液；步驟五把上層溶液再作高速離心分離處理；步驟六把高速離心分離處理后的上層清液收集出來(lái)，得到穩(wěn)定的石墨烯分散液。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟一中所述的水和醇的混合溶液是指水和乙醇的混合溶液，乙醇最佳質(zhì)量比例為20% -60%，其余為水。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟一中所述的水和醇的混合溶液是指水和異丙醇的混合溶液，異丙醇最佳質(zhì)量比例為35% -75%，其余為水。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟二中所述的石墨粉為小于100微米的鱗片狀石墨。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟二中所述的石墨粉與乙醇/水混合溶液的質(zhì)量比為0.001% -10%，石墨粉與異丙醇/水混合溶液的質(zhì)量比為0.001% -10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟三中所述的超聲空化處理是把步驟二中所述的石墨粉與水和乙醇的混合溶液或者水和異丙醇的混合溶液放到超聲空化的容器中，進(jìn)行超聲空化處理，處理I小時(shí)至10 小時(shí)后，就制備出含有石墨烯的穩(wěn)定分散液。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟三中所述的射流空化處理是把步驟二中所述的石墨粉與水和乙醇的混合溶液或者水和異丙醇的混合溶液放到射流空化的儲(chǔ)料罐中，進(jìn)行射流空化處理，處理10分鐘至 100分鐘后，就制備出含有石墨烯的穩(wěn)定分散液。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟四中所述的靜置處理的時(shí)間是3小時(shí)至50小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，其特征在于步驟五中所述的高速離心分離處理是離心機(jī)轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分至10000轉(zhuǎn)/分； 離心處理時(shí)間是10分鐘至200分鐘。
全文摘要
一種在液相中制備石墨烯所用溶液的制備工藝及方法，它有六大步驟一把預(yù)定比例的水和醇直接混合，即可獲得在液相中制備石墨烯所用的溶液；二將石墨粉分散于該溶液中，得到石墨分散液；三采用超聲空化或射流空化進(jìn)行處理；四把處理后的溶液進(jìn)行靜置處理，然后取上層的溶液；五把上層溶液再作高速離心分離處理；六把高速離心分離處理后的上層清液收集出來(lái)，即得到穩(wěn)定的石墨烯分散液。采用本發(fā)明的水和醇直接混合成的溶液，在低沸點(diǎn)和無(wú)毒無(wú)污染的綠色溶劑中，即可制備出石墨烯，設(shè)備投資少，原料成本低廉易得，生產(chǎn)安全性高，操作簡(jiǎn)便易行，環(huán)境友好，產(chǎn)量可觀，重現(xiàn)性好，不但適用于實(shí)驗(yàn)室研究，還更加適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102583332SQ201210014890
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者廖錦華, 張曉靜, 易敏, 沈志剛, 麻樹(shù)林 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 格雷菲尼(北京)科技有限公司